“金字塔”形玻璃建筑尖頂旋轉(zhuǎn)升降放繩機(jī)構(gòu)*

劉鋒濤，葛新鋒

（1.許昌初心智能電氣科技有限公司，河南許昌 461000；2.許昌學(xué)院工程訓(xùn)練中心，河南許昌 461000）

0 引言

“金字塔”在建筑學(xué)上是指錐體建筑物，基座一般為正多邊形，側(cè)面由多個(gè)三角形或接近三角形的面相接而成，頂部面積非常小，成尖頂狀。由于質(zhì)心較低，可有效抵抗自然災(zāi)害，古代常用來(lái)建造金字塔形重要紀(jì)念性建筑物。近年來(lái)，隨著對(duì)地標(biāo)建筑獨(dú)特創(chuàng)意的要求，現(xiàn)代金字塔形建筑在世界各地被建造，為了美觀，金字塔形建筑物的側(cè)面用玻璃裝飾，形成玻璃幕墻。玻璃幕墻是一種美觀新穎的建筑墻體裝飾方法，是現(xiàn)代主義高層建筑時(shí)代的顯著特征。其賦予建筑的最大特點(diǎn)是將建筑美學(xué)、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等因素有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，建筑物從不同角度呈現(xiàn)出不同的色調(diào)，隨陽(yáng)光、月色、燈光的變化給人以動(dòng)態(tài)的美[1]。在世界各大洲的主要城市均建有宏偉華麗的玻璃幕墻建筑，如紐約世界貿(mào)易中心、盧浮宮玻璃金字塔[2]、芝加哥石油大廈、西爾斯大廈都采用了玻璃幕墻。香港中國(guó)銀行大廈、北京長(zhǎng)城飯店和銀川寧東煤化工基地綜合辦公樓，呈金字塔形[3－4]建筑也相繼出現(xiàn)。

高層建筑玻璃幕墻的出現(xiàn)給現(xiàn)代建筑增加了美感，但是由于大氣環(huán)境中灰塵和風(fēng)雨，導(dǎo)致玻璃幕墻很容易被污染[3]，這樣就要定期的對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行清洗。一般情況下，玻璃幕墻的清洗由一些被稱為“蜘蛛人”的群體來(lái)完成。對(duì)于平頂建筑來(lái)說(shuō)，從建筑物的頂端放下繩子是很容易的事情；但是對(duì)于金字塔形建筑物來(lái)說(shuō)，建筑物頂部是一尖端，要想上去是一件很困難的事情，更不用說(shuō)在上面固定繩子，因此，對(duì)于金字塔形建筑物來(lái)說(shuō)，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)繩子的收放機(jī)構(gòu)，方便“蜘蛛人”在玻璃幕墻上進(jìn)行清洗作業(yè)。

1 升降放繩機(jī)構(gòu)工作原理

螺旋升降機(jī)構(gòu)固定在“金字塔”形建筑物的塔尖上，其工作流程如圖1所示。首先通過(guò)控制升降電機(jī)，實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確提升；提升到位后，接近開(kāi)關(guān)會(huì)檢測(cè)并發(fā)出信號(hào)，此時(shí)電機(jī)停止運(yùn)行，終止提升。接著，有零位檢測(cè)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)臺(tái)所處位置，如不在零位，及時(shí)作出調(diào)整，直到重新回歸零位，以保證出繩方位的準(zhǔn)確性。然后，遙控電葫蘆電機(jī)運(yùn)行，繩索高速降至地面，把人帶上塔尖，開(kāi)始從塔尖低速降落，清掃整個(gè)金字塔塔身。將至底部后，電葫蘆再次將繩索收回，并給轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)信號(hào)向某個(gè)方向旋轉(zhuǎn)90°，到位后電葫蘆接著重復(fù)之前的循環(huán)動(dòng)作。轉(zhuǎn)臺(tái)累計(jì)旋轉(zhuǎn)360°，工作人員完成清掃，并降至地面后。將電葫蘆繩索收回，檢測(cè)配重球到位后，升降機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，將整個(gè)機(jī)構(gòu)降落到金字塔內(nèi)部，整個(gè)工作流程結(jié)束。

圖1 金字塔形建筑升降放繩機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理

2 繩子收放機(jī)構(gòu)

2.1 功能描述

在“金字塔”形建筑的頂端設(shè)計(jì)一個(gè)遙控升降裝置，通過(guò)遙控器控制，從頂端送出一個(gè)安全繩索下來(lái)。該升降裝置采用螺旋升降機(jī)構(gòu)，主要由減速部件和升降部件構(gòu)成，蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為其減速部件，是影響螺旋升降機(jī)使用性能的主要因素[5－7]。然后，把“蜘蛛人”安全送到頂部，從頂部不斷降落來(lái)清洗建筑物的一面，完成之后，需要旋轉(zhuǎn)一個(gè)方向，自動(dòng)將升降裝置繩索旋轉(zhuǎn)至另一面，開(kāi)始另一面作業(yè)?？紤]到塔頂機(jī)構(gòu)安裝和維護(hù)的方便性，以及整個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能的體積和空間的限制，還需要把一些結(jié)構(gòu)安裝在塔尖的下面相對(duì)較大的空間，通過(guò)一個(gè)升降機(jī)裝置，在清洗時(shí)將整個(gè)清掃機(jī)構(gòu)頂出至塔尖。

2.2 整體結(jié)構(gòu)

整體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要有3個(gè)部分：安裝板固定的蝸桿螺旋升降機(jī)部件、用來(lái)升降旋轉(zhuǎn)部分以及和電葫蘆配套的加強(qiáng)支架、避雷針系統(tǒng)、照明系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中受力非常大，是該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，其力學(xué)性能直接關(guān)系收放機(jī)構(gòu)的可靠性和設(shè)備安全性[8]。安裝板固定的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件，用來(lái)調(diào)整電動(dòng)葫蘆的出繩方向，當(dāng)清潔完金字塔形建筑物的一面墻后，只需要按下遙控器，就可以實(shí)現(xiàn)電葫蘆出繩位置變換，到達(dá)另一個(gè)面；電動(dòng)葫蘆和固定支架部件是終端收放繩機(jī)構(gòu)，根據(jù)操作者需求，能夠定時(shí)、準(zhǔn)確地將安全繩索送出，同時(shí)相應(yīng)的加強(qiáng)支架、換向輪和避雷針等組件又能很好地保證機(jī)構(gòu)使用時(shí)的安全性和可靠性。

圖2 金字塔形建筑物繩子收放機(jī)構(gòu)

2.2.1 機(jī)構(gòu)升降部分選型計(jì)算

螺旋升降機(jī)的選型：螺旋升降機(jī)的作用是用來(lái)提升起垂直地面方向負(fù)載的，其主要的選型功能參數(shù)包括負(fù)載F、提升速度v、行程L和減速比i。

其中，初定參數(shù)：F＝2.156 kN；v＝400 mm/min；L＝400 mm；i＝4∶1。

根據(jù)以上參數(shù)，初選德國(guó)UNID－NEFF/CS10－400的螺旋升降機(jī)。根據(jù)下面公式的計(jì)算可以確定升降機(jī)的輸入電機(jī)的參數(shù)。

式（1）～（3）中：vL＝400 mm/min；i＝4；S＝4 mm；FL＝3 kN；vin＝400 r/min，E＝0.3。

計(jì)算結(jié)果：Pin≈80 W，Tin≈1.9 N·m。

以上數(shù)值為計(jì)算值，若該數(shù)據(jù)比較嚴(yán)格，要加一定的裕度系數(shù)，取1.3～1.5[9]。

實(shí)際參數(shù)值：Tin＝1.9×1.4＝2.76 N·m。

蝸桿轉(zhuǎn)1圈升降機(jī)上升1 mm，升降機(jī)行程400 mm，需要1 min走完，即要保證400 mm/min的速度需要蝸桿輸入轉(zhuǎn)速400 r/min。本計(jì)算是按照勻速運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算的，所以如果輸入轉(zhuǎn)速剛好為400 r/min，那么走完全程的時(shí)間會(huì)大于1 min，即需要輸入轉(zhuǎn)速略大于400 r/min，才能保證1 min走完全程。

電機(jī)選配的減速機(jī)減速比i＝3.25。則電機(jī)的額定輸出扭矩T＝1.21 N·m。

三相異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，電機(jī)的額定功率P＝165 W。可以選200 W或者250 W的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)。

2.2.2 導(dǎo)桿和軸承選擇

考慮到升降機(jī)提升到一定高度靜止后，電葫蘆拉著“蜘蛛人”沿著金字塔的斜面會(huì)對(duì)升降機(jī)有一個(gè)斜拉力的作用。而升降機(jī)本身是靠蝸輪蝸桿、螺紋等來(lái)增加提升扭矩的，其末端只是一個(gè)Tr20×4的螺桿，不能承受徑向力，因此需在升降機(jī)的四周添加直線軸承和輔助導(dǎo)桿等裝置，如圖3所示。

圖3 直線軸承

結(jié)合安裝空間、結(jié)構(gòu)尺寸、材料、負(fù)載強(qiáng)度等參數(shù)即可選擇合適的直線軸承、導(dǎo)桿等相關(guān)裝置。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是整個(gè)功能機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部分，選型、計(jì)算也是至關(guān)重要的。常見(jiàn)的可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的裝置有高精密一體化電控轉(zhuǎn)臺(tái)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)配步進(jìn)電機(jī)[10－11]。前者主要用在高精密分度場(chǎng)合，中心承載小，可承受很小的徑向作用力，如光學(xué)實(shí)驗(yàn)室；后者的分度精度相對(duì)較低，但可以承受較大的軸向、徑向負(fù)載。

旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的選型算法如圖4所示，需要根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算出轉(zhuǎn)臺(tái)自身和轉(zhuǎn)臺(tái)上負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而根據(jù)得到的慣性矩選擇合適的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。不過(guò)考慮到高空作業(yè)的安全性，所選的步進(jìn)電機(jī)必須要帶有自鎖裝置。

圖4 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型計(jì)算

2.2.4 收放繩機(jī)構(gòu)

收放繩機(jī)構(gòu)如圖5所示，此部分主要包括電動(dòng)葫蘆和焊接支架，另外有外殼、照明系統(tǒng)、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向輪支架和密封墊等。外殼起到防護(hù)、密封的作用，外殼和建筑物之間要選擇密封可靠又能耐高溫、風(fēng)化的密封墊。

圖5 收放繩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

電葫蘆作為提升工具，是功能實(shí)現(xiàn)的核心，其需要提升體重約75 kg（正常人）的“蜘蛛人”，外加清掃工具和安全防護(hù)裝置等，估計(jì)有90 kg。為了保證安全可靠的起升，需留有安全余量，因此選擇使用提升能力為500 kg的電葫蘆。同時(shí)，電葫蘆具備8～2 m/min的速度，在空載的時(shí)候通過(guò)遙控器選擇高速，以提高電動(dòng)葫蘆的效率。在正常工作時(shí)，低速運(yùn)行保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和安全性。同時(shí)，電葫蘆和負(fù)載的重量通過(guò)電葫蘆和焊接支架的連接傳遞到了支架上，并最終作用到殼體底部安裝板上面，保證了結(jié)構(gòu)可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)金字塔形建筑物的形狀和清掃要求，開(kāi)發(fā)了一種升降旋轉(zhuǎn)收放繩機(jī)構(gòu)平臺(tái)。介紹相關(guān)結(jié)構(gòu)，建立了該結(jié)構(gòu)的模型，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選型，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)了相關(guān)部門的驗(yàn)收，性能可靠。通過(guò)工程實(shí)例，證實(shí)了此方案的可行性，對(duì)于類似工程通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)選擇金字塔形建筑物的側(cè)面，通過(guò)電葫蘆收放繩索實(shí)現(xiàn)金字塔形建筑物的側(cè)面的移動(dòng)，縮短了工期，降低了造價(jià)。